Batterie, das Herz der Elektromobilität

Das Funktionsprinzip einer Batterie beruht auf der Umwandlung von chemischer in elektrische Energie. Dieser Prozess ist bei der Lithium-Ionen-Technologie reversibel und hocheffizient. Eine Lithium-Ionen-Batteriezelle besteht grundsätzlich aus einer negativen und einer positiven Elektrode, einem Separator und dem Elektrolyten sowie den beiden Stromableitern. Während des Ladens und Entladens bewegen sich die Lithium-Ionen zwischen der negativen Elektrode (Anode) und der positiven Elektrode (Kathode) hin und her. Dieser Vorgang ist für die Laderichtung nachfolgend visualisiert.

Die Anode besteht dabei in den meisten Fällen aus Grafit. Die Kathode besteht dagegen üblicherweise aus geschichteten Übergangsmetallen, zum Beispiel NMC (Nickel-Mangan-Cobalt), oder aus Phosphaten wie LFP (Lithiumeisenphosphat). Der Elektrolyt ermöglicht den Lithium-Ionen Transport zwischen den Elektroden. Der Separator dient dabei als Schutzschicht vor Kurzschluss und ermöglicht gleichzeitig den Transport der Lithium-Ionen durch seine poröse Struktur. Die Stromableiter aus Kupfer (Anode) bzw. Aluminium (Kathode) schließen den Stromkreis nach außen und ermöglichen so die Verwendung als Energiequelle.

Batteriezellen weisen im Normalbetrieb einen hocheffizienten Wirkungsgrad von über 95% auf. Als Batteriesystem in den Antriebsstrang eines Elektroautos eingebettet und durch Stromerzeugung mit erneuerbaren Energien gespeist, ermöglicht dies eine Gesamteffizienz („Well to Wheel“) von bis zu 80%. Dagegen erreichen Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor (Benzin und Diesel) nur eine Gesamteffizienz von ca. 20-30% und Fahrzeuge mit Wasserstoff-Brennstoffzellenantrieb ca. 25–35%. Damit ist der batterieelektrische Antriebsstrang insgesamt drei- bis viermal so effizient wie konventionelle Antriebe. Allein das macht die Batterie im Kontext einer klimafreundlichen Zukunft konkurrenzlos.

Hinzu kommt, dass die aktuelle Generation von Elektroautos Reichweiten von über 500 bis 700 km nach WLTP erreicht, Spitzenmodelle sogar über 900 km. Die Anschaffungsmehrkosten sinken kontinuierlich, das Laden ist direkt von zu Hause aus möglich und die Fahrzeuge sind weniger pannenanfällig als vergleichbare Autos mit Verbrennungsmotor (ADAC Pannenstatistik). Dank der zunehmenden Vehicle-to-Grid-Fähigkeit moderner Elektroautos können diese perspektivisch sogar als stationäre „Kraftwerke” genutzt werden. Auf diese Weise können Nutzer ein zusätzliches Einkommen erzielen und die Stromnetze werden entlastet.

Technologieoffenheit ist wichtig – nicht nur bei der Antriebsart, sondern auch bei der Batteriechemie. Aktuell dominiert die Lithium-Ionen-Technologie die Elektromobilität, und daran wird sich in den kommenden Jahren auch wenig ändern. Zwei Batteriechemien decken hierbei knapp über 90 % des Marktes ab: NMC (Nickel-Mangan-Kobalt) und LFP (Eisenphosphat), die sich in der Bezeichnung aufgrund des verwendeten Kathodenmaterials unterscheiden. Die Anode besteht bei beiden Technologien überwiegend aus Grafit. NMC zeichnet sich zwar durch eine höhere Energiedichte und somit eine größere Reichweite aus, ist jedoch auch mit höheren Kosten verbunden und verursacht aufgrund der enthaltenen seltenen Erden wie Nickel und Cobalt einen größeren ökologischen Fußabdruck. LFP ist dagegen die preisgünstigere Option mit einer längeren Lebensdauer. Allerdings weist sie eine geringere Energiedichte auf und ihre Lieferkette (Vorprodukte/Kathodenmaterial) ist in hohem Maße von Herstellern außerhalb der EU abhängig. Diese Eigenschaften machen die LFP-Technologie insbesondere für das Einstiegssegment und für Nutzfahrzeuge sehr interessant. Die mit beiden Technologien erzielte Reichweite wird kontinuierlich optimiert – sowohl durch Fortschritte in der jeweiligen Zellchemie als auch durch eine effizientere Integration in das Batteriesystem bzw. das BEV (Cell-to-Pack/Cell-to-Chassis).

Auch an anderen Batterietechnologien wird aktiv geforscht, welche die Lithium-Ionen-Technologie perspektivisch ergänzen sollen. Zum einen bieten Natrium-Ionen dabei eine vielversprechende Perspektive als kostengünstige Alternative zu LFP und zeichnen sich durch hohe Performance selbst bei niedrigsten Temperaturen bis -30 °C aus. Zum anderen ermöglichen Festkörperbatterien (Solid-State Batterien) ein höheres Maß an Sicherheit und signifikante Steigerung der Energiedichte, wodurch Reichweiten von über 1000km mit einer Ladung möglich werden. Aufgrund ihres aktuell noch niedrigen technologischen Reifegrads und ihrer höheren Kosten wird sich diese Technologie in den nächsten Jahren noch nicht in nennenswerten Stückzahlen am Markt etablieren. Bis 2030 ist jedoch mit der Markteinführung erster Festkörper-BEVs im Premiumsegment zu rechnen. In den kommenden Jahren werden außerdem zunehmend Varianten auf Basis der Semi-Solid-State-Technologie erwartet. Diese Batterietechnologie mit geringem Restelektrolytgehalt bildet den Zwischenschritt zwischen flüssigen Lithium-Ionen-Batterien und der Solid-State Technologie.

Die Batterie ist nicht nur Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität, sondern auch für stationäre Energiespeichersysteme, kritische Infrastruktur und militärische Applikationen. Um die Unabhängigkeit und Resilienz des Standortes Deutschland zu stärken, ist eine wettbewerbsfähige Batterieproduktion und ein resilientes Batterieökosystem darum herum von zentraler Bedeutung.

Grundvoraussetzung dafür ist eine langfristige (10-15 Jahre) Industriepolitische Strategie, sowie eine deutliche Verbesserung der Standortbedingungen, die Sicherung von kritischen Rohstoffen, eine Intensivierung des Risk-Sharing im Ökosystem und die Schaffung von fairen Wettbewerbsbedingungen.

Der Alterungszustand von Traktionsbatterien ist eine entscheidende Kennzahl für die Wertbestimmung batterieelektrischer Gebrauchtfahrzeuge. Die Auskunft über den aktuellen Zustand der Batterie beeinflusst deshalb maßgeblich den Wiederverkaufswert.

Aus Sicht der Automobilindustrie sollten nationale und europäische Gesetzgebung sich bei der Referenz auf den Alterungszustand rechtlich auf normierte Begriffe für Messwerte der Kapazität beziehen. Die GTR 22 sollte hierzu zwingend als Grundlage dienen, um auf Basis des SOCE (State of Certified Energy) eine verlässlichere Bewertung von aktuellen Elektrofahrzeugen zu schaffen. Dabei bietet die GTR22 eine klarte Struktur für die Bewertung und Zertifizierung von Batterien anhand von sechs im Positionspapier aufgezeigten Eckpunkten.